Metal 四、视频采集预览渲染+YUV

一、Metal 实现视频预览

首先我们知道视频其实就是一帧帧的图片。

渲染业务流程：

(注：AVFoundation 有提供的预览图层: AVCaptureVideoPreviewLayer)

 

0、初始化工作

    // 1.获取 MTKView 预览图层
    self.mtkView = [[MTKView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
    self.mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
    [self.view insertSubview:self.mtkView atIndex:0];
    self.mtkView.delegate = self;
    
    // 2.创建命令队列
    self.commandQueue = [self.mtkView.device newCommandQueue];
    
    // 3.注意: 在初始化MTKView 的基本操作以外. 还需要多下面2行代码.
    /*
     1. 设置MTKView 的drawable 纹理是可读写的(默认是只读);
     2. 创建CVMetalTextureCacheRef _textureCache; 这是Core Video的Metal纹理缓存
     */
    // 允许读写操作
    self.mtkView.framebufferOnly = NO;
    /*
     CVMetalTextureCacheCreate(CFAllocatorRef  allocator,
     CFDictionaryRef cacheAttributes,
     id <MTLDevice>  metalDevice,
     CFDictionaryRef  textureAttributes,
     CVMetalTextureCacheRef * CV_NONNULL cacheOut )
     功能: 创建纹理缓存区

     参数1: allocator 内存分配器.默认即可.NULL
     参数2: cacheAttributes 缓存区行为字典.默认为NULL
     参数3: metalDevice
     参数4: textureAttributes 缓存创建纹理选项的字典. 使用默认选项NULL
     参数5: cacheOut 返回时，包含新创建的纹理缓存。
     */
    CVMetalTextureCacheCreate(NULL, NULL, self.mtkView.device, NULL, &_textureCache);

1、通过 AVFoundation 进行视频采集

    // 1.创建mCaptureSession
    self.mCaptureSession = [[AVCaptureSession alloc] init];
    // 设置视频采集的分辨率
    self.mCaptureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset1920x1080;
  
    // 2.创建串行队列
    self.mProcessQueue = dispatch_queue_create("mProcessQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
   
    // 3.获取摄像头设备(前置/后置摄像头)
    NSArray *devices = [AVCaptureDevice devicesWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    AVCaptureDevice *inputCamera = nil;
    // 循环设备数组,找到后置摄像头.设置为当前inputCamera
    for (AVCaptureDevice *device in devices) {
        if ([device position] == AVCaptureDevicePositionBack) {
            inputCamera = device;
        }
    }
    
    // 4.将 AVCaptureDevice 转换为 AVCaptureDeviceInput
    self.mCaptureDeviceInput = [[AVCaptureDeviceInput alloc] initWithDevice:inputCamera error:nil];
    
    // 5. 将设备添加到 mCaptureSession 中
    if ([self.mCaptureSession canAddInput:self.mCaptureDeviceInput]) {
        [self.mCaptureSession addInput:self.mCaptureDeviceInput];
    }
    
    // 6.创建 AVCaptureVideoDataOutput 对象 --> 输出
    self.mCaptureDeviceOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
    
    /*设置视频帧延迟到底时是否丢弃数据.
     YES: 处理现有帧的调度队列在captureOutput:didOutputSampleBuffer:FromConnection:Delegate方法中被阻止时，对象会立即丢弃捕获的帧。
     NO: 在丢弃新帧之前，允许委托有更多的时间处理旧帧，但这样可能会内存增加.
     */
    [self.mCaptureDeviceOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:NO];
    
    // 这里设置格式为 BGRA，而不用YUV的颜色空间，避免使用Shader转换
    // 注意: 这里必须和 CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage 保存图像像素存储格式保持一致，否则视频会出现异常现象
    [self.mCaptureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];
    
    // 设置视频捕捉输出的代理方法
    [self.mCaptureDeviceOutput setSampleBufferDelegate:self queue:self.mProcessQueue];
    
    // 7.添加输出
    if ([self.mCaptureSession canAddOutput:self.mCaptureDeviceOutput]) {
        [self.mCaptureSession addOutput:self.mCaptureDeviceOutput];
    }
    
    // 8.输入与输出链接
    AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    
    // 9.设置视频方向
    // 注意: 一定要设置视频方向，否则视频会是朝向异常的
    [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];
    
    // 10.开始捕捉
    [self.mCaptureSession startRunning];

2、Metal 进行视图的渲染 -- 2个 delegate 方法

#pragma mark - AVFoundation Delegate -
// AVFoundation 视频采集回调方法
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection {
    
    // 1.从sampleBuffer 获取视频像素缓存区对象
    CVPixelBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
   
    // 2.获取捕捉视频的宽和高
    size_t width = CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer);
    size_t height = CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer);
    
    /* 3. 根据视频像素缓存区 创建 Metal 纹理缓存区
     CVReturn CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(CFAllocatorRef allocator,                         CVMetalTextureCacheRef textureCache,
     CVImageBufferRef sourceImage,
     CFDictionaryRef textureAttributes,
     MTLPixelFormat pixelFormat,
     size_t width,
     size_t height,
     size_t planeIndex,
     CVMetalTextureRef  *textureOut);
     
     功能: 从现有图像缓冲区创建核心视频Metal纹理缓冲区。
     参数1: allocator 内存分配器,默认kCFAllocatorDefault
     参数2: textureCache 纹理缓存区对象
     参数3: sourceImage 视频图像缓冲区
     参数4: textureAttributes 纹理参数字典.默认为NULL
     参数5: pixelFormat 图像缓存区数据的Metal 像素格式常量.注意如果MTLPixelFormatBGRA8Unorm和摄像头采集时设置的颜色格式不一致，则会出现图像异常的情况；
     参数6: width,纹理图像的宽度（像素）
     参数7: height,纹理图像的高度（像素）
     参数8: planeIndex.如果图像缓冲区是平面的，则为映射纹理数据的平面索引。对于非平面图像缓冲区忽略。
     参数9: textureOut,返回时，返回创建的Metal纹理缓冲区。
     
     // Mapping a BGRA buffer:
     CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &outTexture);
     
     // Mapping the luma plane of a 420v buffer:
     CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatR8Unorm, width, height, 0, &outTexture);
     
     // Mapping the chroma plane of a 420v buffer as a source texture:
     CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatRG8Unorm width/2, height/2, 1, &outTexture);
     
     // Mapping a yuvs buffer as a source texture (note: yuvs/f and 2vuy are unpacked and resampled -- not colorspace converted)
     CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatGBGR422, width, height, 1, &outTexture);
     */
    CVMetalTextureRef tmpTexture = NULL;
    CVReturn status = CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, self.textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &tmpTexture);
    
    // 4.判断tmpTexture 是否创建成功
    if(status == kCVReturnSuccess) {

        // 5.设置可绘制纹理的当前大小。
        self.mtkView.drawableSize = CGSizeMake(width, height);
        // 6.返回纹理缓冲区的Metal纹理对象。
        self.texture = CVMetalTextureGetTexture(tmpTexture);
        // 7.使用完毕,则释放tmpTexture
        CFRelease(tmpTexture);
    }
}

#pragma mark - MTKView Delegate -
// 视图渲染则会调用此方法
- (void)drawInMTKView:(MTKView *)view {
  
    // 1.判断是否获取了AVFoundation 采集的纹理数据
    if (self.texture) {
        
        // 2.创建指令缓冲
        id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [self.commandQueue commandBuffer];
        
        // 3.将MTKView 作为目标渲染纹理
        id<MTLTexture> drawingTexture = view.currentDrawable.texture;
        
        // 4.设置滤镜
        /*
         MetalPerformanceShaders是Metal的一个集成库，有一些滤镜处理的Metal实现;
         MPSImageGaussianBlur 高斯模糊处理;
         */
        // 创建高斯滤镜处理 filter
        // sigma 值越高图像越模糊
        MPSImageGaussianBlur *filter = [[MPSImageGaussianBlur alloc] initWithDevice:self.mtkView.device sigma:1];
        
        // 5.MPSImageGaussianBlur 以一个 Metal 纹理作为输入，以一个Metal 纹理作为输出；
        // 输入:摄像头采集的图像 self.texture
        // 输出:创建的纹理 drawingTexture (其实就是view.currentDrawable.texture)
        [filter encodeToCommandBuffer:commandBuffer sourceTexture:self.texture destinationTexture:drawingTexture];
        
        // 6.展示显示的内容
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
        
        // 7.提交命令
        [commandBuffer commit];
        
        // 8.清空当前纹理,准备下一次的纹理数据读取.
        self.texture = NULL;
    }
}
// MTKView - 视图大小发生改变时.会调用此方法
- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size {}

二、视频处理

1、一张图片的大小

图片的渲染：jpg/png文件 --> 解压成位图 --> 片元着色器  对每个像素处理 --> 渲染显示

视频的渲染：视频文件 --> 解码(解压缩) --> 视频 60帧/s, 60张图片的处理 --> 片元着色器

举例：RGB 编码的一张 1280*720 的图片(这里忽略透明度A)：

　　有1280*720个像素点，每个像素点有红绿蓝3个原色，每个原色占 8bit(1字节)，那么一个像素即 3*8=24bit，即 3字节

　　--> so 一张图片占用存储空间：1280*720 * 3 /1024/1024 = 2.63MB.

对视频来讲，这种空间占用率太高，消耗太大了。

如何解决此问题？

1）视频压缩(编码) --> H264 格式视频(视频压缩) --> 压缩比可达到 102:1

2）采集时，降低数据量 --> YUV 格式保存视频

2、YUV

2.1）YUV是什么

YUV 颜色编码和 RGB颜色编码的红绿蓝三原色组合 不同，YUV采用的是 明亮度 和 色度 来指定像素的颜色。

Y：明亮度(Luminance、Luma)

U、V：色度(Chrominance、Chroma) -->

　　　　色度又定义了颜色的：色调 和 饱和度

为什么用 YUV  -->  1、节省带宽 2、比 RGBA 占用 内存空间 更少

2.2）YUV 采样格式

和 RGB 表示图像类似，每个像素点都包含 YUV 三个分量。但它的Y分量和UV分量是可以拆分开的，没有UV 分量也是可以显示一张完整图片的，不过图片会是没有色彩的黑白的。

对于 YUV 格式图像来说，并非每个像素点都包含了完整的 YUV 三个分量，根据不同的采样格式，每个 Y 分量可以对应自身的 UV 分量，也可以几个 Y 共用 UV 分量。

a、采样格式 YUV4:4:4 

YUV4:4:4 采样，YUV 三个分量的采样比例相同，在生成的图像里，每个像素点的三分量信息都是完整的8bit。

采样码流 为：Y0 U0 V0 Y1 U2 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

映射还原的像素点：[Y0 U0 V0] [Y1 U2 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

图片所占空间: 1280*720 * 3 /1024/1024 = 2.63MB，与RGB格式相同。此种采样格式实际业务中并不会使用。

b、采样格式 YUV4:2:2

YUV4:2:2 即，UV 分量是 Y 分量的一半，Y 和 UV 按照 2:1 的比例采样。如果水平方向有10个像素点，那么采样了 10 个 Y，5个UV。采样方式如上图，UV分量隔一个采一个，相当于前后2个像素 每次都借用彼此的V/U分量。

采样码流：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

映射还原像素点：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

此时，图片所占空间: 1280*720 * (8bit + 0.5*8 * 2) / 8  /1024/1024 = 1.76MB。相较RGB模型图像节省了 1/3 的存储空间，传递中占用带宽也随之减少。

c、采样格式 YUV4:2:0

YUV4:2:0 采样，在每一行扫描时，只扫一种色度分量(U 或 V)，和Y 按 2:1 的方式采样。比如，第一行 YU 按 2:1 的方式采样，那么第二行则 YV 按 2:1 的方式采样。 对于每个色度分量来说，水平和竖直方向上的采样 和 Y 相比 都是 2:1。此种方式必粗要扫2行才能组成完整的UV分量。如上图，也可以理解为，4个一组，UV 分量共用。

采样码流：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3

　　　　:   Y4 V4 Y5 Y6 V6 Y7

映射还原像素点：[Y0 U0 V4] [Y1 U0 V4]  [Y2 U2 V6] [Y3 U2 V6]

　　　　　　　　[Y4 U0 V4] [Y5 U0 V4]  [Y6 U2 V6] [Y7 U2 V6]

此时，图片占用空间大小：1280*720 * (8 + 0.25*8 *2) / 8 /1024/1024 = 1.32M，进一步的缩小了占据中间，传输时带宽占用更少。

YUV4:2:0 采样是目前业务开发中最常用的方式。

视频捕获(采集)过程中，只需在片元着色器中，将RGBA转化成 YUV 即可。

3、YUV 与 RGBA 转换

对于图像显示器来说，是通过 RGB 模型来显示图像的，而在传输图像数据时，我们使用的是 YUV 模型，因为 YUV 可以节省带宽。因此，采集图像时，我们会将RGB 转换到YUV，但是，显示时我们要将 YUV 转回 RGB。

RGB 到 YUV 的转换，即 将图像所有的像素点的 RGB 分量转换到 YUV 分量。

RGB ==> YUV：

Y  = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B

U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B

V = 0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B

YUV ==> RGB：

R = Y + 1.14 * V

G = Y - 0.39 * U - 0.58 * V

B = Y + 2.03 * U

以上。

YUV 处理后，虽然图片占用空间已相对缩小，但，仍需要继续 对视频压缩处理，2者结合，进一步优化。